Bumuo ang mga Mananaliksik sa Tokyo at NYU ng Junction na Kinokontrol ng Boltahe at May Epekto ng Superconducting Diode

Pinapaboran ng napakaliit na semiconductor channel ang direksiyon ng superconducting current

Bumuo ang mga mananaliksik sa University of Tokyo at New York University ng isang semiconductor device na mas madaling nagpapadaloy ng current nang walang electrical resistance sa isang direksiyon kaysa sa kabaligtarang direksiyon. Umabot sa 20% ang pinakamataas na kahusayan ng superconducting diode ng device, na pinagsasama ang kontrol sa kuryente at mga epektong magnetiko sa isang channel na 100 nanometro lamang ang haba.

Nagmula ang mga natuklasan, na inilathala sa Communications Materials noong Nobyembre 5, 2026, sa mga eksperimento sa temperaturang 0.03 kelvin, malapit sa absolute zero. Nagpadaloy ang isang device na walang gate electrode ng superconducting current na hanggang 3.00 microampere. Sa mga device na may gate, nagpababa ng pinakamataas na current na makadadaloy nang walang resistance ang paglalapat ng negatibong boltahe.

Kabilang sa pangkat ng University of Tokyo ang doctoral researcher na si Hirotaka Hara, Associate Professor Le Duc Anh at Professor Masaaki Tanaka. Nakipagtulungan sila sa mga mananaliksik ng NYU, kabilang ang doctoral researcher na si Lukas Baker at Professor Javad Shabani. Pinagsasama ng kanilang estruktura ang aluminium, indium arsenide at gallium antimonide na may iron, kaya napapaloob sa iisang semiconductor current path ang superconductivity at magnetism.

Ang agarang resulta ay isang batayang bahagi para sa pagkontrol sa superconducting current sa laboratoryo. Tinutukoy ng anunsyo ng University of Tokyo noong Nobyembre 5 ang mga posibleng aplikasyon nito sa electronics na mas kaunti ang konsumo ng enerhiya at sa mga quantum circuit sa hinaharap. Nasa yugto pa ang pananaliksik ng pagsisiyasat sa mga prinsipyo ng paggana at pagpapahusay ng kontrol.

Ano talaga ang binuo ng mga mananaliksik

Ang device ay isang lateral Josephson junction na may semiconductor channel. Ikinokonekta ng Josephson junction ang dalawang superconducting electrode sa pamamagitan ng maikli at namagitang materyal. Dahil sa mga epektong quantum, nakakatawid ang current sa materyal na iyon nang walang kasamang boltahe, kahit hindi ito kusang magiging superconducting.

Nakapatong dito ang dalawang aluminium electrode sa isang estrukturang semiconductor, at nasa pagitan ng mga ito ang nakalantad na indium arsenide channel. Humigit-kumulang 100 nanometro ang haba at 5 micrometre ang lapad ng channel. Kaya mga 50 ulit na mas malapad ito kaysa haba nito.

Ang indium arsenide ang pangunahing dinaraanan ng electrical current. Nasa ilalim nito ang gallium antimonide na may iron, na isinusulat bilang (Ga,Fe)Sb at nagbibigay ng impluwensiyang magnetiko. Ang mga aluminium electrode naman ang nagbibigay ng superconducting na impluwensiya. Sa pamamagitan ng gate electrode sa ibabaw ng channel, nababago ng mga mananaliksik ang mga katangiang elektrikal nito gamit ang boltahe.

Ang paglalarawan dito bilang transistor ay tumutukoy sa kontrol ng gate. Higit na tiyak, inilalarawan sa artikulo sa Communications Materials ang mga lateral Josephson junction na gawa sa estrukturang Al/InAs/(Ga,Fe)Sb. Dinadala ng device sa superconducting junction ang kontrol sa boltahe na karaniwang ginagamit sa mga semiconductor transistor.

Paano nagkakabahaginan ng mga katangian ang magkakatabing layer

Nagiging superconducting ang aluminium kapag sapat na mababa ang temperatura. Sa ganitong kalagayan, bumubuo ng pares ang mga electron na nakapagpapadaloy ng current nang walang electrical resistance. Samantala, tumutukoy ang magnetism sa pagkakahanay ng maliliit na katangiang magnetiko ng mga electron, na tinatawag na spin. Karaniwang magkasalungat ang epekto ng ordinaryong superconductivity at ferromagnetism, kaya mahirap pagsamahin ang mga ito.

Gumamit ang mga mananaliksik ng mga proximity effect upang maihatid ang dalawang impluwensiya sa indium arsenide. Nagkakaroon ng proximity effect kapag binabago ng pagkakadikit sa isang materyal ang asal ng mga electron sa katabing materyal. Nag-uudyok ang aluminium ng superconducting na asal sa channel, habang naiimpluwensiyahan ng magnetic semiconductor sa ilalim nito ang mismong mga electron.

May 14.6% iron ang magnetic layer at tinatayang 25 kelvin ang Curie temperature nito. Ang Curie temperature ang puntong lampas dito ay nawawala sa isang materyal ang pagkakaayos nitong ferromagnetic. Sa mga temperaturang higit na mababa na ginamit sa mga sukat ng superconductivity, nagiging electrically insulating ang (Ga,Fe)Sb layer, kaya pangunahing dumadaloy ang current sa indium arsenide.

Magkakaiba ang tungkulin ng mga layer sa pagkakaayos na ito: nagsasagawa ng kuryente ang indium arsenide, sumusuporta ang aluminium sa superconducting transport, at nagbibigay ng impluwensiyang magnetiko ang semiconductor na may iron. Mahalaga sa pagtutulungan ng mga tungkuling ito ang mga hangganan sa pagitan ng mga layer.

Bakit mahalaga ang malilinis na hangganan

Pinalago ng pangkat ang estruktura gamit ang molecular beam epitaxy, isang paraang nagdedeposito ng mga layer na maingat na kinokontrol sa loob ng vacuum. Ginawa ang lahat ng layer nang hindi nalalantad sa hangin upang mabawasan ang kontaminasyon sa mga hangganan kung saan nagtatagpo ang mga materyal.

May 15 nanometro ang kapal ng indium arsenide layer sa semiconductor stack at nakapatong ito sa magnetic layer na 20 nanometro ang kapal. Nakatulong ang manipis na takip na indium gallium arsenide na may kapal na 5 nanometro sa pagbuo ng interface sa aluminium. May kapal na 26 nanometro ang aluminium film.

Pinalago ang mga semiconductor layer sa temperaturang 250 digri Celsius upang limitahan ang paghihiwalay ng iron sa loob ng magnetic material. Pagkatapos, idineposito ang aluminium sa temperaturang mas mababa sa minus 40 digri Celsius. Dahil sa pagkakasunod-sunod na ito, naihanda ng pangkat ang iba't ibang materyal sa mga kondisyong angkop sa bawat isa.

Sa electron microscopy, nakita ang malinis at matalim na atomic na hangganan sa pagitan ng aluminium at ng takip na semiconductor. Itinala rin sa artikulo ang lokal na kaguluhan o mga depekto sa takip na ito. Gayunman, ipinakita ng mga pagsukat elektrikal na mahusay na nakatatawid sa interface ang superconducting transport papunta sa semiconductor.

Itinatakda ng boltahe ang hangganan ng current na walang resistance

Sinukat sa mga eksperimento kung gaano kalaking current ang kayang dalhin ng junction bago lumitaw ang electrical resistance. Tinatawag na critical current ang pinakamataas na limitasyong ito. Kapag mas mababa rito, nakapagpapadaloy ng current ang superconducting junction nang walang init na nalilikha mula sa electrical resistance; kapag lumampas dito, nagkakaroon ng boltahe.

Sa 30 millikelvin, katumbas ng 0.03 kelvin, umabot sa critical current na 3.00 microampere ang junction na walang gate. Pagkatapos, sinubukan ng mga mananaliksik ang mga junction na may gate electrode. Habang mas nagiging negatibo ang boltahe sa gate, nababawasan ang mga electron sa indium arsenide channel at bumababa ang critical current nito.

Sa gayon, naiaakma ng gate kung gaano kalaking superconducting current ang kayang dalhin ng channel. Iniulat din sa artikulo na umabot sa talampas ang critical current sa positibong boltahe ng gate, habang nanatiling mas mababa sa humigit-kumulang 10 picoampere ang leakage current sa gate sa buong nasukat na saklaw ng boltahe.

May nakita pang ebidensiya ang pangkat ng ugnayan ng aluminium at semiconductor sa pamamagitan ng multiple Andreev reflections. Paulit-ulit na pagbabago ang mga ito sa pagitan ng mga electron at hole excitation sa hangganan ng superconducting na materyal. Lumitaw sa mga pagsukat elektrikal ang mga palatandaan nito hanggang sa ikaanim na order, na tumulong sa mga mananaliksik na tasahin kung gaano kadaling tumatawid sa mga interface ang superconducting transport.

Nagbigay ang mga pagsukat ng superconducting energy gap na 171 microelectronvolt. Isa itong sukat ng enerhiya na kaugnay ng mga magkapares na electron na nagpapanatili sa superconductivity. Magkasamang ipinakikita ng mga pagsukat ng reflection at ng pagtugon sa gate kung paano nagdadala ng current ang semiconductor sa ilalim ng impluwensiya ng mga katabing superconducting na materyal.

Ano ang ibig sabihin ng 20% na kahusayan ng diode

Lumitaw ang epekto ng diode nang maglapat ang mga mananaliksik ng magnetic field na patayo sa junction. Naging nakadepende sa direksiyon ng daloy ng current ang critical current. Mas malaking current ang kayang suportahan nang walang resistance sa isang direksiyon kaysa sa kabaligtarang direksiyon.

Sa current na nasa pagitan ng dalawang limitasyong iyon, nanatiling superconducting ang junction sa isang direksiyon at nagkaroon ng resistance sa kabila. Sa mga current na mas mababa sa dalawang limitasyon, kaya pa ring suportahan ng alinmang direksiyon ang superconducting transport. Kaya kumikilos ang epektong ito sa loob ng isang partikular na saklaw ng current.

Kinalkula ng mga mananaliksik ang kahusayan ng diode sa pamamagitan ng pagbabawas sa mas maliit na laki ng critical current mula sa mas malaki, at paghahati sa resulta sa kabuuan ng dalawa. Umabot sa 20% ang pinakamataas na halaga, malapit sa pinakamababang bahagi ng magnetic interference pattern ng junction.

Mas madaling mailarawan ang resulta gamit ang depinisyon na ito. Katumbas ng mas malaking critical current na 1.5 ulit ng mas maliit ang kahusayan na 20%. Halimbawa, kung 1.5 at 1.0 ang mga limitasyon sa iisang yunit ng current, 0.5 ang diperensiya at 2.5 ang kabuuan; kapag hinati ang una sa ikalawa, 20% ang resulta. Ipinakikita ng mga halimbawang bilang na ito kung paano kinukuwenta ang ratio; ang iniulat na pinakamataas na halaga sa mga sukat ay 20%.

Inilalarawan ng bilang ng kahusayan ang kawalan ng simetriya sa pagitan ng mga direksiyon ng current. Nangyari ang pinakamataas na halaga malapit sa pinakamababang bahagi ng interference pattern, kung saan pinahina ng inilapat na magnetic field ang superconducting transport. Kaya naganap sa magkaibang kundisyon ng paggana ang pinakamalaking pagkakaiba ng mga direksiyon at ang pinakamalaking kapasidad sa current.

Nababago ng kasaysayang magnetiko ang tugon

Iba rin ang naging tugon ng junction depende kung itinataas o ibinababa ang panlabas na magnetic field. Nagbabago ang magnetic field kung saan umaabot sa pinakamataas na antas ang superconducting current, depende sa direksiyon ng pagbabago ng field. Paulit-ulit na nakita ng mga mananaliksik ang ganitong asal sa ilang device, kabilang ang mga junction na mayroon at walang gate.

Hysteresis ang tawag sa pagdepende ng tugon sa mga naunang kondisyon. Madalas itong makita sa mga magnetic na materyal dahil nananatili sa panloob na pagkakahanay ng mga ito ang ilang bakas ng dating inilapat na field. Sa mga junction na ito, kaayon ng mga paulit-ulit na pagbabago ang impluwensiyang magnetiko ng katabing (Ga,Fe)Sb layer sa superconducting transport.

Nagbago ang current kasabay ng magnetic field sa sunod-sunod na taluktok at pinakamababang punto na tinatawag na Fraunhofer interference pattern. Nabubuo ang ganitong mga pattern dahil kumikilos na parang quantum wave ang superconducting current: maaaring magpalakas o magpahina sa isa't isa ang mga ambag mula sa iba't ibang bahagi ng junction habang nagbabago ang magnetic field.

May mga hindi pantay na taluktok, biglaang pagtalon ng magnetic flux at pagkakaiba sa pagitan ng magkasalungat na direksiyon ng current ang mga nasukat na pattern. Malapit sa isang maximum, 0.14 millitesla ang panahon ng osilasyon, kumpara sa 1.13 millitesla na tinataya batay sa heometriya. Mula sa diperensiyang iyon, hinango ng artikulo ang epektibong magnetic flux focusing factor na 8.2.

Tinutukoy ng mga may-akda ang ilang posibleng dahilan ng pagtitipon ng magnetic flux na ito, kabilang ang tugon ng mga aluminium electrode, mga magnetic field mula sa layer sa ilalim nito, at hindi pantay na distribusyon ng magnetism o current. Sinusuportahan ng pangkalahatang pattern ang pag-aaral sa device bilang isang sistemang pinagsasama ang magnetism at superconductivity.

Patuloy pang sinisiyasat kung saan dumadaloy ang current

Sinuri rin ng mga mananaliksik kung pantay na kumakalat ang current sa buong channel. Gumamit sila ng pagsusuring matematikal sa isang bahagi ng interference pattern na walang biglaang pagtalon ng flux at nakita nilang may tendensiyang magtipon ang superconducting current malapit sa pisikal na mga gilid.

Walang nakikitang pag-ikli ng junction malapit sa mga gilid sa mga larawan mula sa mikroskopyo. Binabanggit ng mga may-akda na maaaring makatulong sa pagpapaliwanag ng di-pangkaraniwang magnetic response at asal na nakadepende sa direksiyon ang transport sa mga gilid ng channel.

Hindi pa nalulutas ang eksaktong balanse ng mga mekanismo. Tinatalakay sa artikulo ang impluwensiyang magnetiko mula sa ibabang layer, mga interaksiyong nag-uugnay sa galaw at spin ng mga electron, at posibleng transport malapit sa mga gilid. Maaari ring makaapekto sa ilang bahagi ng interference pattern ang magnetic domain, nakulong na flux at mga pagkakaibang nagmula sa paggawa ng device.

Mahalagang maunawaan ang balanseng ito para sa disenyo ng mga device sa hinaharap. Kailangang malaman ng mga engineer kung aling mga katangian ng materyal at tampok ng heometriya ang mapagkakatiwalaang nagtatakda sa pinapaborang direksiyon ng current, sa magagamit na saklaw nito at sa tugon sa boltahe ng gate.

Ano ang maaaring magbago para sa mga superconducting circuit sa hinaharap

Mahahalagang bahagi ng superconducting quantum circuit ang Josephson junction. Kapag pinalitan ng semiconductor ang simpleng harang, naiaakma sa pamamagitan ng kuryente ang junction; samantalang nagbibigay ng isa pang paraan para maimpluwensiyahan ang asal nito ang paglalagay ng magnetic semiconductor sa malapit.

Pinagsasama ng gawain ng Tokyo at NYU ang mga katangiang ito sa iisang estruktura: binabago ng kontrol sa gate ang critical current, at binabago naman ng mga epektong magnetiko ang tugon ng current at ang pinapaboran nitong direksiyon. Nagbibigay ang kombinasyong ito ng materyal na plataporma para sa pagsisiyasat sa mga circuit element na mas nababago ang asal.

Tinutukoy ng University of Tokyo bilang mga pangmatagalang layunin ang electronics na mas kaunti ang konsumo ng enerhiya at mga quantum computer na mas matatag laban sa mga error. Tumutukoy ang mga ipinakitang sukat sa mga indibiduwal na junction na gumagana sa napakalamig na temperatura. Praktikal na pangangailangan pa rin ang pagpapalamig, kasabay ng pakinabang ng pagdaloy ng current nang walang resistance.

Plano ng mga mananaliksik na pagandahin ang magnetic layer at higit pang siyasatin kung paano naaapektuhan ng boltahe at magnetism ang superconducting current. Ang susunod nilang gawaing siyentipiko ay gawing mas mahuhulaan at mas nakokontrol ang mga naobserbahang epekto upang masuportahan ang disenyo at paggawa ng mas sari-saring quantum circuit. Walang ibinigay na takdang panahon para sa isang praktikal na computing device.

Mahahalagang Punto

• Bumuo ang University of Tokyo at NYU ng mga lateral Josephson junction na pinagsasama ang aluminium, indium arsenide at magnetic semiconductor na may iron.
• Humigit-kumulang 100 nanometro ang haba at 5 micrometre ang lapad ng channel; isinagawa ang mga eksperimento sa 0.03 kelvin.
• Nakapagpadaloy ang junction na walang gate ng hanggang 3.00 microampere nang walang resistance; nagpababa ng critical current sa mga device na may gate ang negatibong boltahe sa gate.
• Sa magnetic field na patayo sa junction, umabot sa 20% ang pinakamataas na kahusayan ng superconducting diode malapit sa pinakamababang bahagi ng interference pattern.
• Kaayon ng impluwensiyang magnetiko sa superconducting transport ang paulit-ulit na hysteresis sa ilang device.
• Inilathala ang mga natuklasan noong Nobyembre 5, 2026. Susuriin pa ng mga susunod na pag-aaral ang mga mekanismo at pagbutihin ang kontrol para sa posibleng mga quantum circuit sa hinaharap.